Des physiciens d’Oxford rendent le chat de Schrödinger encore plus étrange
Des chercheurs de l’Université d’Oxford ont réalisé un nouveau type de superposition quantique, un phénomène souvent associé à l’emblématique expérience de pensée du chat de Schrödinger. Contrairement aux versions précédentes, ces états nouvellement démontrés sont construits à partir de composants quantiques hautement nonclassiques. Cette avancée pourrait faire progresser l’informatique quantique au-delà des systèmes binaires traditionnels, améliorer les technologies de détection et fournir de nouvelles perspectives sur les fondements de la physique quantique.
L’une des caractéristiques les plus surprenantes de la mécanique quantique est la capacité des objets à exister simultanément dans plusieurs états. Ce concept est couramment illustré par le chat de Schrödinger, un chat hypothétique considéré à la fois vivant et mort jusqu’à son observation. Bien que cette expérience de pensée soit fictive, les scientifiques créent régulièrement de véritables superpositions quantiques en laboratoire. Atomes, lumière et même mouvement peuvent être placés dans plusieurs états quantiques simultanément, ce qui est essentiel pour des technologies telles que les ordinateurs quantiques et les horloges ultra-précises.
Un exemple courant est le bit quantique, ou qubit, qui peut exister dans une combinaison de 0 et de 1 à la fois. Cependant, les systèmes quantiques peuvent offrir bien plus que ce comportement à deux états. Les oscillateurs harmoniques quantiques, capables d’occuper de nombreux niveaux d’énergie, présentent un ensemble de possibilités beaucoup plus riche. Ces oscillateurs décrivent une large gamme de systèmes physiques, y compris la lumière, les vibrations et le mouvement de particules piégées.
L’équipe d’Oxford a démontré une toute nouvelle famille de superpositions quantiques. Plutôt que de construire des états semblables à ceux du chat à partir de paquets d’onde en état cohérent, les chercheurs ont développé une technique combinant une large gamme de composants quantiques déjà hautement nonclassiques. Dans les superpositions d’états comprimés, par exemple, l’incertitude quantique est distribuée différemment à travers chaque partie de l’état.
L’expérience s’est appuyée sur le mouvement d’un ion piégé. Un ion piégé combine deux systèmes quantiques distincts en une seule plateforme. Son état interne se comporte comme un qubit, tandis que son mouvement agit comme un oscillateur harmonique quantique capable d’occuper de nombreux états de mouvement. Cette combinaison rend les ions piégés particulièrement utiles pour créer des états quantiques qui vont au-delà des qubits conventionnels.
Pour générer les nouveaux états, les chercheurs ont d’abord conçu des interactions qui ont intriqué l’état interne de l’ion avec différents états de mouvement possibles. Ils ont ensuite effectué une me quantique à mi-parcours sur l’état interne, provoquant l’effondrement du mouvement de l’ion dans la superposition désirée de composants nonclassiques.
La nouvelle méthode a permis à l’équipe de contrôler avec précision les états quantiques produits. En ajustant les paramètres expérimentaux, ils ont pu modifier la taille, l’orientation et la séparation relatives des composants au sein de la superposition. Cette flexibilité leur a permis de créer une large variété d’états quantiques de mouvement inhabituels.
Les chercheurs ont ensuite reconstruit directement les états quantiques. Leurs mes ont révélé des motifs d’interférence et des régions de négativité de Wigner, des signes clairs que les états ne pouvaient pas être décrits comme de simples mélanges classiques. Ces observations ont confirmé que l’expérience avait produit avec succès de véritables superpositions quantiques composées d’états de mouvement véritablement nonclassiques.
L’équipe travaille désormais avec des théoriciens pour mieux comprendre à quel point ces nouveaux états sont « quantiques ». Les chercheurs estiment qu’ils n’ont encore qu’effleuré la surface des possibilités, tant pour les applications pratiques que pour comprendre ces états à un niveau plus fondamental.
Cette recherche ouvre la voie à de futures technologies quantiques qui reposent sur des oscillateurs quantiques plutôt que sur de simples bits quantiques. Une application particulièrement prometteuse est l’informatique quantique, ces types d’états pouvant être plus résistants aux erreurs tout en soutenant des stratégies de correction d’erreurs plus simples et plus efficaces. Au-delà de l’informatique, ils offrent une nouvelle plateforme expérimentale pour explorer une des plus grandes questions de la physique : où se situe la frontière entre le monde classique que nous expérimentons et la réalité quantique sous-jacente qui la régit.
Source : Université d’Oxford.
